來自體外和動物模型研究的證據都支持維生素D的抗癌作用。

維生素D通過激活核維生素D受體起作用，維生素D受體在體內是無處不表達的，維生素D可以調節正常和腫瘤細胞的生長，分化和凋亡。

血液中循環維生素D濃度和流行病學研究所披露各種癌症風險，均呈現不一致的結果。觀察性研究的薈萃分析發現，較高濃度的25-羥基維生素D（25（OH）D）是主要的血液中循環維生素D形式，其與大腸直腸癌的較低風險相關，但與乳癌和前列腺癌的流行病學證據則是不確定的，而血液中循環維生素D濃度和其他癌症的研究數據是有限的。

而以往25（OH）D與癌症之間的觀察性關聯，受到相對較小的研究特定樣本大小的限制（例如，僅只有3000-5000例乳癌，前列腺癌和大腸直腸癌的薈萃分析）以及還有幾個潛在的方法問題。

具體而言，如果25（OH）D在癌症診斷時候或近癌症診斷時給予測量，可能存著逆向的因果關係，導致混雜的剩下來之原因，可能是由於對癌症常見原因的控制不足，並且從單一的測量可能導致暴露於25（OH）D的測量結果出現錯誤。